机器人机构学
课程编码：081101M05006H
英文名称：Robot Mechanism
课时：41
学分：2.00
课程属性：专业普及课
主讲教师：王双翌等
教学目的要求
通过本课程的学习，希望学生能够对机器人机构的类型、特点与应用有较为系统的了解，对机构分析工具和数学方法有所实践，掌握机器人运动学、动力学、运动约束及性能分析等研究问题中所需要的常用方法和手段，为从事机器人机构设计研发奠定基础。
课程基本要求：建议学生补充掌握一定的机器人基础知识和编程及软件基础，在学习理论分析方法的同时积极尝试通过实践对案例进行分析。基础知识包括：机械原理及机器人学的常用基础概念及术语、直线几何与线性代数的基本知识等。编程及软件基础方面，建议选修学生在学习过程中了解并尝试DAS 2D/3D工具包及Robotics Toolbox for Matlab的使用。
授课方式：课堂讲授与课程实践相结合的方式。课堂讲授机器人机构设计及原理、机器人机构学研究中的数学工具及其在分析机器人运动和性能过程中的应用。课程实践方面，通过对不同机构及其应用案例的展示和讨论以及计算机辅助软件的使用让学生更好地了解相关理论的现实应用。
预修课程
无
大纲内容
第一章 机器人与机构学基础 3学时 王双翌
第1节 机器人机构学的发展历史与研究内容
第2节 机构的基本元素
第3节 自由度与约束
第4节 常用传动机构
第5节 平面连杆机构
第二章 经典机器人机构 3学时 王双翌
第1节 串联机器人机构
第2节 并联机器人机构
第3节 远程运动中心机构
第4节 力约束及恒力机构
第三章 柔性机器人机构 3学时 王双翌
第1节 连续体机构
第2节 柔顺机构
第3节 软体机器人
第四章 机械智能与现代机构 6学时 王双翌
第1节 微纳机构
第2节 变胞与可重构机构
第3节 仿生机器人机构
第4节 类人机器人机构
第5节 机构分析中的计算机辅助工具
第五章 李群与刚体变换 3学时 邢登鹏
第1节 群与李群的定义
第2节 几种典型的群
第3节 刚体运动与刚体变换
第4节 刚体的位姿描述
第5节 刚体转动与三维旋转群
第六章 刚体运动群的李代数 3学时 邢登鹏
第1节 李代数的定义
第2节 刚体运动群的李代数
第3节 指数映射
第4节 刚体运动的指数坐标
第5节 刚体速度的旋量表达
第七章 旋量及其运算 3学时 邢登鹏
第1节 速度瞬心
第2节 旋量的定义
第3节 旋量的物理意义
第4节 力旋量
第5节 机器人的力雅可比矩阵
第八章 线几何与旋量系 3学时 邢登鹏
第1节 线几何
第2节 旋量系
第3节 互易旋量系
第九章 机器人正向运动学 3学时 张大朋
第1节 机器人位置和姿态的表示
第2节 坐标变换与齐次坐标变换
第3节 D-H参数法和基于指数积的机器人正向运动学对比
第4节 基于指数积的机器人速度雅可比矩阵
第十章 机器人逆向运动学 3学时 张大朋
第1节 机器人逆运动学指数积公式
第2节 运动学逆解三原则及逆运动学典型子问题求解
第3节 机器人逆运动学应用
第十一章 机器人机构动力学分析 3学时 张大朋
第1节 牛顿-欧拉动力学方程
第2节 拉格朗日动力学方程
第3节 转动惯量
第4节 多自由度机器人的动力学方程推导
第十二章 机器人机构构型综合与性能分析 3学时 张大朋
第1节 运动旋量系与约束旋量系
第2节 机构自由度计算与构型综合方法
第3节 运动性能与灵巧度分析
第4节 机构传动与刚度分析
参考书
1、
机器人机构学数学基础
于靖军、刘辛军、丁希伦
2015年
机械工业出版社
课程教师信息
王双翌，博士，中国科学院自动化研究所副研究员，硕士生导师。2016年于伦敦国王学院获博士学位，2019年获中国科学院海外青年人才专项。在英期间，参与并部分承担由英国惠康基金会、英国工程和自然科学研究委员会、英国国家医疗研究院所资助的多个科研项目，聚焦遥操作医疗辅助机器人研发并通过部分样机实现80例准临床测试，代表成果在如IEEE RAM、IEEE RAL、IEEE T-BME、IEEE T-MRB、MICCAI、ICRA、IROS等多个顶级期刊及国际会议发表，入选Innovate UK英国年度创新展并曾向英国王室代表团展示。当前受中科院院级项目及国自然基金支持，开展遥操作智能超声机器人系统的开发。
邢登鹏，男，1980年6月生，中国科学院自动化研究所副研究员，硕士生导师。2010年7月于上海交通大学获博士学位。近年来，围绕脑启发机器人控制与学习、机器人精密操作等方向开展研究工作，作为负责人主持国家自然科学基金3项、省部级项目3项；发表学术论文30余篇，包括SCI检索论文20余篇，其中以第一作者发表IEEE Trans.论文12篇，以第一作者发表机器人顶级会议6篇；以第一发明人获国家发明专利授权3项。
张大朋，男，中国科学院自动化研究所副研究员，硕士生导师。2011年3月毕业于北京航空航天大学获博士学位。近年来围绕机器人精密装配、面向脑机接口的植入机器人开展研究工作。共主持项目15项，其中科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目子课题1项、国家自然科学基金3项、国防专项5项、横向项目7项，项目总经费1767万元。发表学术论文20篇（SCI收录14篇，EI收录6篇），授权发明专利21项，其中以第一完成人授权11项。